CN110955276B - 大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，包括第一测温元件T1、第二测温元件T2、第三测温元件T3、第四测温元件T4、第五测温元件T5、冷水蓄水箱、冷水泵、温度调节水箱、热水泵、第一电动三通球阀、第二电动三通球阀、第一分水器、第二分水器和冷却水管，所述冷却水管布置于待测混凝土中。本发明采用模块化设计，安装简单，施工容易，自动控制系统中冷却水的开关、流量、温度调节完全匹配自动采集的混凝土温度，可以提高最高温度和降温率的合格率，保证控制效果更加准确、稳定、及时、有效。

Description

大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统

技术领域

本发明涉及路桥工程，具体为一种大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统。

背景技术

我国大体积混凝土施工规范GB50496-2009中定义：“实体最小尺寸大于或等于1m，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。

混凝土裂缝的存在成为环境中的有害物质渗入混凝土内部的有利通道，是造成钢筋锈蚀，导致混凝土过早破坏的重要因素之一，控制裂缝的产生成为混凝土结构工程的迫切需求。大体积混凝土裂缝形成有多原因，温度裂缝是其中较常见的一种。开展大体积混凝土温控工作，能够为混凝土的裂缝控制提供技术支持，是确保混凝土结构耐久性和运行安全性的重要手段，具有非常重要的意义。大体积混凝土温度控制措施有很多种，包括构件分层分块、混凝土原材料优选、混凝土预冷、通水冷却、构件的保温养护等。

通过埋设冷却水管，通冷却水降低混凝土的温峰值是大体积混凝土施工中常见的有效的温控措施。通水冷却第一次在水利工程领域中的正式应用源于20世纪30年代，1931年美国垦务局在欧瓦希(Owyhee)拱坝上进行了混凝土水管冷却的现场试验，结果令人满意。此后的两年，胡佛水坝(Hoover)首次在混凝土内全面预埋通水冷却水管，获得较理想的温控防裂效果。随后，通水冷却以其灵活性、可靠性及多用性等特点，在世界各国混凝土坝施工中被广泛采用。我国在1955年修建第一座混凝土拱坝——响洪甸拱坝时，首次采用了预埋冷却水管，获得了不错的防裂效果。近年来通水冷却技术由传统的大坝施工推广到大型桥梁工程中并得到了广泛应用，已成为大体积混凝土施工中不可缺少的一项关键温控防裂措施。

目前，混凝土人工通水冷却控温主要弊端有：(1)通水冷却的监控主要采用人工记录人工球阀、水银温度计和水表的数据变化；人工调整通水流量间隔长，人工采集温度和流量数据工作量大，受主观因素以及设备运行状况影响较大；(2)现有通水系统精度不高，效率低，数据可靠度不高，采集时间间隔长，信息反馈慢，控制手段单一，常常导致混凝土温控不理想；(3)通水资源浪费，为了避免大坝温度过高，在现有温控方法中，往往采取宁可加大通水流量的策略，这样在长周期大坝建设过程中，造成不必要的水资源浪费，经济利益损失大；(4)现有温控策略往往不能够将大坝混凝土温度变化精确控制在设计温控曲线附近，人工测量与控制往往不能实时联动，导致实际大坝温度控制与预期偏离较大，容易导致大坝开裂破坏；(5)现有技术中，人工控制混凝土大坝温度时，很难实现大坝多坝段整体温度协调、精细化、个性化控制。

如何对大体积混凝土结构进行有效的智能温控一直是水工设计和施工中关心的核心问题。随着计算机技术、无线数据传输技术、传感控制技术的发展与成熟，各种软件与硬件普及推广，为大体积混凝土冷却通水自动化控制提供基本技术支撑。通过对控制算法、系统硬件以及控制软件的研究研制出了一套智能控制系统对混凝土冷却通水进行自动化控制，根据混凝土温度不断调整通水流量以达到混凝土均衡降温、降低温度梯度、减小温度拉应力、防止混凝土出现裂缝、减少了人工采集数据与调控流量的误差并提高冷却通水系统的经济效益与管理质量，具有重大意义。

大型桥梁建设中存在承台、塔座、锚碇、箱梁等大体积构件，随着外加剂技术的发展，高强混凝土广泛应用，混凝土水化热增大，收缩增大，混凝土开裂情况普遍。冷却通水过程中存在通水时机不佳、流量温度控制不佳导致的降温削峰效果有限、降温过快导致应力累积开裂等实际问题，设计一套适用于桥梁大体积混凝土冷却通水的自动控制系统具有工程实际意义。

发明内容

为了克服现有技术提及的缺点，本发明目的是提供一种大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统。

本发明解决其技术问题所采用技术方案为：大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，包括第一测温元件T1、第二测温元件T2、第三测温元件T3、第四测温元件T4、第五测温元件T5、冷水蓄水箱、冷水泵、温度调节水箱、热水泵、第一电动三通球阀、第二电动三通球阀、第一分水器、第二分水器和冷却水管，所述冷却水管布置于待测混凝土中，所述冷水蓄水箱依次连接冷水泵和第一电动三通球阀的第一入口，所述温度调节水箱依次连接热水泵和第一电动三通球阀的第二入口，所述第一电动三通球阀的出口依次连接所述第一分水器和冷却水管，所述冷却水管设有冷水出口和热水出口，所述热水出口依次连接所述第二分水器和第二电动三通球阀的入口，所述第二电动三通球阀的第一出口连接所述温度调节水箱，所述第二电动三通球阀的第二出口连接排水口；所述第一测温元件T1检测所述冷水蓄水箱的水温，所述第二测温元件T2检测所述第一分水器的水温，所述第三测温元件T3检测所述第二分水器的水温，所述第四测温元件T4检测待测混凝土的温度，所述第五测温元件T5检测所述温度调节水箱的水温。

进一步的，还包括有流量计，所述流量计设置于所述第一电动三通球阀和第一分水器之间。

进一步的，所述温度调节水箱内还安装有加热装置。

进一步的，所述冷水蓄水箱和冷水泵之间设置有第一手动球阀，所述温度调节水箱和热水泵之间设置有第二手动球阀。

进一步的，根据如下逻辑关系进行控制：

(1)当T4-T 1≤25℃时，控制所述冷水泵启动，所述热水泵关停；冷水蓄水箱中的冷却水经由第一分水器进入混凝土中埋设的各套所述冷却水管，对混凝土进行供水降温；冷却水经由所述冷水出口直接排掉；

(2)当T4-T 1＞25℃时，控制所述冷水泵关停，所述热水泵启动，只从调节水箱进水，冷却水经由所述热水出口，依次经过第二分水器和第二电动三通球阀回到所述温度调节水箱进行循环。

(3)当T3-T2≥10℃时作报警处理，并控制所述第一电动三通球阀增大流量至设计最大流量；当冷却水管中冷却水的流速未达到最大值，且出水口与进水口温差大于10℃，可增加流速至0.65m/s以上，使水流达到紊流状态。

(4)当T4-T2≥25℃时作报警处理，并控制所述加热装置工作，当20℃≤T4-T2≤25℃时，控制所述加热装置停止工作；随着混凝土持续水化，混凝土内部开始升高，江水的水温与混凝土的芯部温差越来越大。当进口水温与混凝土芯部温差达到25℃时，根据温度监测结果，将冷水蓄水箱中的江水、循环水集水箱中的循环水在温度调节水箱中按一定的比例混合(比例动态调整)，以使进水温度与混凝土内部最高温度之差≤25℃；若全部采用循环水后进水温度与混凝土内部最高温度之差仍大于25℃，通过调节水箱中的加热装置升高水温至20℃≤T4-T2≤25℃使用。

(5)当T4出现下降之后，手动操作第一手动球阀和第二手动球阀，动态调节流量控制1℃≤T4每天下降幅度≤2℃。当混凝土达到温峰(当监测的芯部最高温度出现拐点时，判断达到温峰)，控制降低水流量(动态调整)以确保1.0℃/d≤降温速率≤2.0℃/d；当混凝土的温降≥2.0℃/d时，降低冷水的流量或关停冷却水，避免混凝土的温降过快；降温速率巡检频率为每小时一次。

(6)当T4≤50℃时，控制所述冷水泵和热水泵关停，关停冷却水。

本发明的有益效果是：

(1)加强温控效果。传统控制方式由于对流量的监测和调控都是手动完成，而现场条件和工作人员的能力问题都会造成较大的误差，直接影响到通水效果。自动控制系统中冷却水的开关、流量、温度调节完全匹配自动采集的混凝土温度，可以提高最高温度和降温率的合格率，保证控制效果更加准确、稳定、及时、有效。

(2)提高工作效率。本系统自动化程度高，无需人工进行流量调节，安装成功之后便可自动运行，根据所输入的参数智能地对通水进行调节，节省了大量的人工，降低了费用，缩短了工人在危险环境下的工作时间。

(3)通水管理透明化。本系统可自动进行监测和调控，并生成数据报表，数据采集密度可根据要求进行调整，数据更加真实、可靠、透明化，为今后的实际工程提供了实践参考，为理论研究提供了更为可靠的数据支撑，促进了温控技术的发展.

(4)模块化设计，安装简单，施工容易，可由现场施工单位承担设备安装工作。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，包括第一测温元件T1、第二测温元件T2、第三测温元件T3、第四测温元件T4、第五测温元件T5、冷水蓄水箱1、冷水泵11、温度调节水箱2、热水泵21、第一电动三通球阀20、流量计3、第二电动三通球阀7、第一分水器4、第二分水器6和冷却水管5，所述冷却水管5布置于待测混凝土中，所述冷水蓄水箱1依次连接冷水泵11和第一电动三通球阀20的第一入口，所述温度调节水箱2依次连接热水泵21和第一电动三通球阀20的第二入口，所述第一电动三通球阀20的出口依次连接所述流量计3、第一分水器4和冷却水管5，所述冷却水管5设有冷水出口和热水出口，所述热水出口依次连接所述第二分水器6和第二电动三通球阀7的入口，所述第二电动三通球阀7的第一出口连接所述温度调节水箱2，所述第二电动三通球阀7的第二出口连接排水口8；所述第一测温元件T1检测所述冷水蓄水箱1的水温，所述第二测温元件T2检测所述第一分水器4的水温，所述第三测温元件T3检测所述第二分水器6的水温，所述第四测温元件T4检测待测混凝土的温度，所述第五测温元件T5检测所述温度调节水箱2的水温，所述冷水蓄水箱1和冷水泵11之间设置有第一手动球阀12，所述温度调节水箱2和热水泵21之间设置有第二手动球阀22，所述温度调节水箱2内还安装有加热装置23，冷水蓄水箱1设有冷水入水口，冷水蓄水箱1和温度调节水箱2之间设有从冷水蓄水箱1调水至温度调节水箱2的补水泵9，温度调节水箱2设有热水排水口。

本发明的大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，利用测温元件1～测温元件5对温度进行监测，该监测结果可被自动控制系统进行读取并依据预设逻辑关系进行控制：

(1)当T4-T1≤25℃时，控制所述冷水泵11启动，所述热水泵12关停；冷水蓄水箱中的冷却水经由第一分水器进入混凝土中埋设的各套所述冷却水管，对混凝土进行供水降温；冷却水经由所述冷水出口直接排掉；

(2)当T4-T1＞25℃时，控制所述冷水泵11关停，所述热水泵12启动，只从调节水箱进水，冷却水经由所述热水出口，依次经过第二分水器和第二电动三通球阀回到所述温度调节水箱进行循环。

(3)当T3-T2≥10℃时作报警处理，并控制所述第一电动三通球阀20增大流量至设计最大流量；当冷却水管中冷却水的流速未达到最大值，且出水口与进水口温差大于10℃，可增加流速至0.65m/s以上，使水流达到紊流状态。

(4)当T4-T2≥25℃时作报警处理，并控制所述加热装置23工作，当20℃≤T4-T2≤25℃时，控制所述加热装置23停止工作；随着混凝土持续水化，混凝土内部开始升高，江水的水温与混凝土的芯部温差越来越大。当进口水温与混凝土芯部温差达到25℃时，根据温度监测结果，将冷水蓄水箱中的江水、循环水集水箱中的循环水在温度调节水箱中按一定的比例混合(比例动态调整)，以使进水温度与混凝土内部最高温度之差≤25℃；若全部采用循环水后进水温度与混凝土内部最高温度之差仍大于25℃，通过调节水箱中的加热装置升高水温至20℃≤T4-T2≤25℃使用。

(5)当T4出现下降之后，手动操作第一手动球阀12和第二手动球阀22，动态调节流量控制1℃≤T4每天下降幅度≤2℃。当混凝土达到温峰(当监测的芯部最高温度出现拐点时，判断达到温峰)，控制降低水流量(动态调整)以确保1.0℃/d≤降温速率≤2.0℃/d；当混凝土的温降≥2.0℃/d时，降低冷水的流量或关停冷却水，避免混凝土的温降过快；降温速率巡检频率为每小时一次。

(6)当T4≤50℃时，控制所述冷水泵11和热水泵21关停，关停冷却水。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (2)

1.大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，其特征在于，包括第一测温元件T1、第二测温元件T2、第三测温元件T3、第四测温元件T4、第五测温元件T5、冷水蓄水箱、冷水泵、温度调节水箱、热水泵、第一电动三通球阀、第二电动三通球阀、第一分水器、第二分水器和冷却水管，所述冷却水管布置于待测混凝土中，所述温度调节水箱内安装有加热装置，所述冷水蓄水箱依次连接冷水泵和第一电动三通球阀的第一入口，所述温度调节水箱依次连接热水泵和第一电动三通球阀的第二入口，所述第一电动三通球阀的出口依次连接所述第一分水器和冷却水管，所述冷却水管设有冷水出口和热水出口，所述热水出口依次连接所述第二分水器和第二电动三通球阀的入口，所述第二电动三通球阀的第一出口连接所述温度调节水箱，所述第二电动三通球阀的第二出口连接排水口；所述第一测温元件T1检测所述冷水蓄水箱的水温，所述第二测温元件T2检测所述第一分水器的水温，所述第三测温元件T3检测所述第二分水器的水温，所述第四测温元件T4检测待测混凝土的温度，所述第五测温元件T5检测所述温度调节水箱的水温，所述冷水蓄水箱和冷水泵之间设置有第一手动球阀，所述温度调节水箱和热水泵之间设置有第二手动球阀；该系统根据如下逻辑关系进行控制：

(1)当T4-T1≤25℃时，控制所述冷水泵启动，所述热水泵关停，冷却水经由所述冷水出口直接排掉；

(2)当T4-T1＞25℃时，控制所述冷水泵关停，所述热水泵启动，只从调节水箱进水，冷却水经由所述热水出口，依次经过第二分水器和第二电动三通球阀回到所述温度调节水箱进行循环；

(3)当T3-T2≥10℃时作报警处理，并控制所述第一电动三通球阀增大流量；

(4)当T4-T2≥25℃时作报警处理，并控制所述加热装置工作，当20℃≤T4-T2≤25℃时，控制所述加热装置停止工作；

(5)当T4出现下降之后，手动操作第一手动球阀和第二手动球阀，动态调节流量控制1℃≤T4每天下降幅度≤2℃；

(6)当T4≤50℃时，控制所述冷水泵和热水泵关停，关停冷却水。

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土冷却水智能自动循环控制系统，其特征在于，还包括有流量计，所述流量计设置于所述第一电动三通球阀和第一分水器之间。

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